Gennembrud kunne lancere organisk elektronik ud over mobiltelefonskærme

En opdagelse af et internationalt hold af forskere fra Princeton University, Georgia Institute of Technology og Humboldt University i Berlin peger på vejen til mere udbredt brug af en avanceret teknologi generelt kendt som organisk elektronik.

Forskningen, offentliggjort 13. november i tidsskriftet Naturmaterialer , fokuserer på organiske halvledere, en klasse af materialer værdsat for deres anvendelser i nye teknologier såsom fleksibel elektronik, konvertering af solenergi, og farveskærme af høj kvalitet til smartphones og fjernsyn. På kort sigt, fremgangen skulle især hjælpe med organiske lysemitterende dioder, der arbejder ved høj energi til at udsende farver som grøn og blå.

"Organiske halvledere er ideelle materialer til fremstilling af mekanisk fleksible enheder med energibesparende lavtemperaturprocesser, " sagde Xin Lin, en ph.d.-studerende og medlem af Princeton-forskerteamet. "En af deres største ulemper har været deres relativt dårlige elektriske ledningsevne, hvilket fører til ineffektive enheder med en kortere driftslevetid end krævet til kommercielle applikationer. Vi arbejder på at forbedre de elektriske egenskaber af organiske halvledere for at gøre dem tilgængelige til flere anvendelser."

Halvledere, typisk lavet af silicium, er grundlaget for moderne elektronik, fordi ingeniører kan udnytte deres unikke egenskaber til at styre elektriske strømme. Blandt mange applikationer, halvlederenheder bruges til computere, signalforstærkning og omskiftning. De bruges i energibesparende enheder såsom lysemitterende dioder og enheder, der konverterer energi såsom solceller.

Væsentligt for disse funktioner er en proces kaldet doping, hvor halvlederens kemiske sammensætning modificeres ved at tilføje en lille mængde kemikalier eller urenheder. Ved omhyggeligt at vælge typen og mængden af ​​dopingmiddel, forskere kan ændre halvlederes elektroniske struktur og elektriske adfærd på en række forskellige måder.

I deres nylige Nature Materials-artikel, forskerne beskriver en ny tilgang til i høj grad at øge ledningsevnen af ​​organiske halvledere, som er dannet af kulstofbaserede molekyler frem for siliciumatomer. Doseringsmidlet, en rutheniumholdig forbindelse, er et reduktionsmiddel, hvilket betyder, at den tilføjer elektroner til den organiske halvleder som en del af dopingprocessen. Tilføjelsen af ​​elektronerne er nøglen til at øge halvlederens ledningsevne. Forbindelsen tilhører en nyligt introduceret klasse af dopingmidler kaldet dimere organometalliske dopingmidler. I modsætning til mange andre kraftige reduktionsmidler, disse dopingstoffer er stabile, når de udsættes for luft, men fungerer stadig som stærke elektrondonorer både i opløsning og fast tilstand.

Seth Marder og Steve Barlow fra Georgia Tech, hvem ledede udviklingen af ​​det nye dopingmiddel, kaldte rutheniumforbindelsen et "hyper-reducerende dopingmiddel". De sagde, at det er usædvanligt, ikke kun dens kombination af elektrondonationsstyrke og luftstabilitet, men i sin evne til at arbejde med en klasse af organiske halvledere, som tidligere har været meget svære at dope. I undersøgelser udført på Princeton, forskerne fandt ud af, at det nye dopingmiddel øgede ledningsevnen af ​​disse halvledere omkring en million gange.

Rutheniumforbindelsen er en dimer, hvilket betyder, at den består af to identiske molekyler, eller monomerer, forbundet med en kemisk binding. Som det er, forbindelsen er relativt stabil og, når de føjes til disse vanskelige at dope halvledere, den reagerer ikke og forbliver i sin ligevægtstilstand. Det udgjorde et problem, fordi for at øge ledningsevnen af ​​den organiske halvleder, rutheniumdimeren skal spaltes og frigive sine to identiske monomerer.

Lin, Princeton ph.d.-studerende, der var hovedforfatter til artiklen om Nature Materials, sagde, at forskerne ledte efter forskellige måder at bryde rutheniumdimeren op og aktivere dopingen. Til sidst, han og Berthold Wegner, en gæstende kandidatstuderende fra gruppen af ​​Norbert Koch ved Humboldt University, ramt på at tilføje energi ved at bestråle med ultraviolet lys, som effektivt exciterede molekyler i halvlederen og igangsatte reaktionen. Under eksponering for lys, dimererne opdeles i monomerer, og ledningsevnen steg.

Efter det, forskerne lavede en interessant observation.

"Når lyset er slukket, man kunne naivt forvente, at den omvendte reaktion opstår" og den øgede ledningsevne forsvinder, sagde Marder i en e-mail. "Imidlertid, dette er ikke tilfældet."

Forskerne fandt ud af, at rutheniummonomererne forblev isolerede i halvlederen - hvilket øgede ledningsevnen - selvom termodynamikken skulle returnere molekylerne til deres oprindelige konfiguration som dimerer. Antoine Kahn, en Princeton professor, der leder forskerholdet, sagde det fysiske layout af molekylerne inde i den dopede halvleder giver et sandsynligt svar på dette puslespil. Hypotesen er, at monomererne er spredt i halvlederen på en sådan måde, at det er meget svært for dem at vende tilbage til deres oprindelige konfiguration og omdanne rutheniumdimeren. At reformere, han sagde, monomererne skal vende i den rigtige retning, men i blandingen forbliver de skæve. Så, selvom termodynamik viser, at dimerer bør reformeres, de fleste hænger aldrig sammen igen.

"Spørgsmålet er, hvorfor disse ting ikke bevæger sig tilbage sammen til ligevægt, " sagde Kahn, Stephen C. Macaleer '63 professor i ingeniørvidenskab og anvendt videnskab. "Svaret er, at de er kinetisk fanget."

Faktisk, forskerne observerede den dopede halvleder i over et år og fandt meget lidt fald i den elektriske ledningsevne. Også, ved at observere materialet i lysemitterende dioder fremstillet af gruppen af ​​Barry Rand, en assisterende professor i elektroteknik ved Princeton og Andlinger Center for Energy and the Environment, forskerne opdagede, at doping kontinuerligt blev genaktiveret af lyset, der blev produceret af enheden.

Lyset aktiverer systemet mere, hvilket fører til mere lysproduktion og mere aktivering, indtil systemet er fuldt aktiveret, sagde Marder. "Alene dette er en ny og overraskende observation."